Блок питания для умзч своими руками. Импульсный блок питания унч. Принцип работы импульсного блока питания

Всем доброго времени. Позвольте представить силовой инвертор для питания мощного аудиоусилителя. К сожалению, особенно хорошо повторяемых. Поэтому решено было сделать такой источник питания с нуля. Потребовалось немало времени, чтобы проектировать, построить и протестировать этот ИБП. И вот, проведя последние испытания (все тесты прошли успешно) можно сказать что проект закончен и его можно выставить на суд уважаемой радиолюбительской аудитории сайта 2 Схемы.ру

Проект этого инвертора отлично подходит для , собственно для него он и разрабатывался. Преобразователь не сложен и должен быть успешно собран не слишком продвинутыми электронщиками. Для запуска не требуется даже осциллограф, но конечно это было бы полезно. Основа схемы источника питания — м/с TL494.

Он имеет защиту от короткого замыкания и должен обеспечить непрерывную мощность 250 Вт. Преобразователь также имеет дополнительное выходное напряжение +/- 9..12 В, которое будет использоваться для питания предусилителя, вентиляторов и т.д.

Импульсный БП для усилителя — схема

Преобразователь выполнен в соответствии с этой схемой. Размеры платы 150×100 мм.

Инвертор состоит из нескольких базовых модулей, присутствующих в большинстве похожих БП, таких как блок питания ATX. Предохранитель, термистор и сетевой фильтр, состоящий из C21, R21 и L5, идут к источнику питания переменного тока 220 В. Затем выпрямительный мост D26-D29, входные конденсаторы инвертора C18 и C19 и силовые транзисторы Q8 и Q9 для переключения напряжения на трансформаторе. Силовые транзисторы управляются с помощью дополнительного трансформатора T2 одним из самых популярных ШИМ-контроллеров — TL494 (KA7500). Трансформатор тока Т3 для измерения выходной мощности последовательно соединен с первичной обмоткой. Трансформатор T1 имеет две разделенные вторичные обмотки. Одна из них формирует напряжение 2×35 В, а другая 2×12 В. На каждой из обмоток есть фаст диоды D14-D17 и D22-D25, которые в общей сложности образуют 2 выпрямительных моста.

После нагрузки линии +/- 34 В резистором 14 Ом, напряжение падает до +/- 31 В. Это довольно хороший результат для такого небольшого ферритового сердечника. Через 5 минут диоды D22-D25, основной трансформатор и MOSFET нагревались до температуры порядка 50C, что вполне безопасно. После подключения двух каналов TDA7294 напряжение упало до +/- 30 В. Инверторные элементы нагревались подобно резистивной нагрузке. После экспериментов выходная цепь оснащена конденсаторами 2200uF и дросселями 22uH / 14A. Падение напряжения немного выше, чем в случае с 6.8uH, однако их использование явно уменьшает нагрев МОП-транзисторов.

Выходное напряжение под нагрузкой обоих выходов с лампочками мощностью 20 Вт:

Принцип работы импульсного блока питания

Напряжение 220 В выпрямляется мостом с диодами D26-D29. Входные конденсаторы C18 и C19 заряжаются до общего напряжения 320 В, а поскольку инвертор работает в полумостовой системе, они делят их на половину, что дает 160 В на конденсатор. Это напряжение дополнительно уравновешивается резисторами R16 и R17. Благодаря этому разделению можно подключить трансформатор Т1 к одному каналу. Тогда потенциал между конденсаторами обрабатывается как масса, один конец первичной обмотки подключен к +160 В, другой к -160 В. Напряжение переключения первичной обмотки трансформатора Т1 осуществляется с помощью переменного транзистора N-MOSFET Q8 и Q9.

Конденсатор C10 и первичная обмотка трансформатора тока T3 расположены последовательно с первичной обмоткой. Конденсатор связи не нужен для функционирования схемы, но он играет очень важную роль — защищает от несбалансированного потребления энергии от входных конденсаторов и, следовательно, перед зарядкой одного из них до более чем 200 В. Трансформатор тока Т3, также расположенный последовательно с первичной обмоткой, действует как защита от короткого замыкания. Трансформатор тока обеспечивает гальваническую развязку и позволяет измерять величину тока, уменьшенную до точности ее передачи. Его задача — информировать контроллер о величине тока, протекающего через первичную обмотку T1.

Параллельно с первичной обмоткой основного трансформатора имеется так называемая схема гашения импульсов, которую образуют C13 и R18. Она подавляет всплески напряжения, возбуждаемые при переключении силовых транзисторов. Они не опасны для МОП-транзисторов, поскольку их встроенные диоды эффективно защищают от перенапряжения на стоках. Однако всплески напряжения могут отрицательно влиять на эффективность инвертора, поэтому важно их устранить.

Силовые МОП-транзисторы не могут управляться напрямую от контроллера из-за изменения потенциала верхнего транзисторного источника. Транзисторы управляются с помощью специального трансформатора Т2. Это обычный импульсный трансформатор, работающий в двухтактном режиме, открывающий силовые транзисторы. Управляющий трансформатор Т2 имеет на входе набор элементов управления напряжением на обмотках, которые помимо генерирования напряжения, продиктованного контроллером, защищают от возникновения размагничивающего напряжения сердечника. Неконтролируемое напряжение размагничивания удерживало бы транзистор открытым. Элементами, непосредственно ответственными за устранение напряжения размагничивания, являются диоды D7 и D9, а также транзисторы Q3 и Q5. Во время простоя, когда оба МОП-транзистора закрыты, ток протекает через D7 и Q5 (или D9 и Q3) и поддерживает напряжение размагничивания около 1,4 В. Это напряжение безопасно и не может открыть силовой транзистор.

Осциллограмма напряжения на входах MOSFET:

На осциллограмме можно четко видеть момент, когда сердечник ​​перестает размагничиваться диодами D7 и D8 (D6 и D9) и начинает намагничиваться в противоположном направлении транзисторами Q3 и Q4 (Q2 и Q5). В фазе размагничивания сердечника напряжение на затворе Т2 достигает 18 В, а на фазе намагничивания оно падает примерно до 14 В.
Почему не использован один из драйверов типа IR? Прежде всего управляющий трансформатор более надежный, более предсказуемый. IR-драйверы очень капризны и подвержены ошибкам.

На вторичной обмотке основного трансформатора Т1 генерируется переменное напряжение, поэтому необходимо его выпрямить. Роль выпрямителя играют выпрямительные фаст диоды, генерирующие симметричное напряжение. Выходные дроссели расположены за диодами — их присутствие влияет на эффективность инвертора, подавляя всплески заряжающие выходные конденсаторы при включении одного из силовых транзисторов. Далее выходные конденсаторы с резисторами предварительной нагрузки, которые препятствуют подъёма напряжения до слишком высоких значений.

Контроллер импульсного ИП

Контроллер является основой инвертора, поэтому опишем его более подробно. В инверторе использован контроллер TL494 с установленной частотой работы такой же, как и в блоках питания ATX, то есть 30 кГц. Инвертор не имеет стабилизации выходного напряжения, поэтому контроллер работает с максимальным коэффициентом заполнения импульсов, который составляет 85%. Контроллер оснащен системой плавного пуска, состоящей из элементов C5 и R7. После запуска инвертора схема обеспечивает плавное увеличение коэффициента заполнения начиная с 0%, что устраняет всплеск зарядки выходных конденсаторов. TL494 может работать от 7 В, и такое напряжение, подающее буфер управляющего трансформатора Т2, вызывает генерацию напряжения на затворах порядка 3 В. Такие не полностью открытые транзисторы выдадут десятки вольт, что приведет к огромным потерям мощности и существует высокая вероятность превышения опасного предела. Чтобы предотвратить это, сделана защита от слишком высокого падения напряжения. Она состоит из резисторного делителя R4 — R5 и транзистора Q1. После того как напряжение падает до 14,1 В, Q1 разряжает конденсатор плавного пуска, тем самым уменьшая заполнение до 0%.

Другая функция контроллера — защитить инвертор от короткого замыкания. Информация о токе первичной обмотки получается контроллером через трансформатор тока Т3. Ток вторичной обмотки Т3 протекает через резистор R9, на котором падает небольшое напряжение. Информация о напряжении на R9 через потенциометр PR1 поступает на усилитель ошибки TL494 и сравнивается с напряжением резисторного делителя R1 и R2. Если контроллер распознает напряжение выше 1,6 В на потенциометре PR1, он закрывает транзисторы до того, как они пересекут опасный предел и фиксируется через D1 и R3. Силовые транзисторы остаются закрытыми до тех пор, пока инвертор не будет перезапущен. К сожалению, эта защита работает правильно только на линии +/- 35 В. Линия +/- 12 В намного слабее и в случае короткого замыкания может быть недостаточно тока, чтоб защита сработала.

Источник питания контроллера — безтрансформаторный с использованием сопротивления конденсатора. Два конденсатора C20 и C24 потребляют реактивную энергию от сети, и, следовательно, заставляя ток течь, они заряжают фильтрующий конденсатор C1 через выпрямитель D10-D13. Стабилитрон DZ1 защищает от слишком высокого напряжения на C1 и стабилизирует их при 18 В.

Импульсные трансформаторы в БП

Качество и производительность импульсного трансформатора влияют эффективность всего преобразователя и выходное напряжение. Однако трансформатор выполняет функцию не только преобразования электричества, но также обеспечивает гальваническую изоляцию от сети 220 В и, таким образом, оказывает большое влияние на безопасность.

Вот как правильно сделать такой трансформатор. Прежде всего должен быть ферритовый сердечник. Он не может иметь воздушный зазор, его половинки должны отлично соединяться друг с другом. Теоретически здесь можно использовать тороидальный сердечник, но сделать хорошую изоляцию и обмотку будет довольно нелегко.

Рекомендуем брать основной ETD34, ETD29 в крайнем случае, но тогда максимальная непрерывная мощность будет составлять не более 180 Вт. Они стоят немного, поэтому лучшим решением будет получить поврежденный блок питания ATX. На сгоревших источниках питания от ПК в дополнение ко всем необходимым трансформаторам содержится ещё много полезных элементов, в том числе сетевой фильтр, конденсаторы, диоды, а иногда и TL494 (KA7500).

Трансформаторы должны быть осторожно выпаяны с платы блока питания ATX, предпочтительно с помощью термофена. После распайки не пытайтесь разобрать трансформатор, потому что он ​​сломается. Трансформатор следует класть в воду и кипятить. После 5 минут нужно осторожно захватив половинки сердечника через ткань, разделить. Если они не хотят расходиться, не тяните сильно — сломаете! Положить обратно и варите еще 5 минут.

Процесс намотки основного трансформатора должен начинаться с подсчета количества провода, который будет намотан. Из-за постоянной рабочей частоты и заданной максимальной индукции, количество обмоток первички зависит только от площади поперечного сечения основного столба ферритового сердечника. Максимальная индукция ограничена 250 мТ из-за работы в полумостовом режиме — здесь асимметрия намагниченности проста.

Формула для вычисления числа витков:

n = 53 / Qr,

• Qr — площадь поперечного сечения основного стержня сердечника, приведенного в см2.

Таким образом, для сердечника с поперечным сечением 0,5 см2 необходимо наматывать 106 витков, а для сердечника с поперечным сечением 1,5 см2 потребуется только 35. Помните, что не стоит наматывать половину витка — всегда округлите до одного в плюс. Расчет количества обмоток вторички такой же, как и для любого другого трансформатора — отношение выходного напряжения к входному напряжению в точности равно отношению количества вторичных обмоток к числу обмоток первички.

Следующий шаг — рассчитать толщину проводов обмоток. Самое важное, что следует учитывать при расчете толщины проводов, — это необходимость заполнить все окно ядра проволокой — от этого зависит магнитное соединение обмоток трансформатора, и, следовательно, падение выходного напряжения. Полное поперечное сечение всех проводов, проходящих через окно сердечника, должно составлять около 40-50% поперечного сечения основного окна (основное окно — место, где провод проходит через сердечник). Если вы впервые мотаете трансформатор, нужно приблизиться к этим 40%. В расчетах также должны учитываться токи, протекающие через поперечное сечение обмоток. Обычно плотность тока составляет 5 А / мм2, и это значение не стоит превышать, использование более низких плотностей тока является желательным. При моделировании ток первичной стороны составляет 220 Вт / 140 В = 1,6 А, поэтому сечение провода должно быть 0,32 мм2, значит его толщина составит 0,6 мм. На вторичной стороне ток 220 Вт / 54 В будет равен 4,1 А, что приводит к поперечному сечению 0,82 мм и реальной толщине провода 1 мм. В обоих случаях учитывалось максимальное падение напряжения при загрузке. Следует также помнить, что из-за скин-эффекта импульсных трансформаторов толщина провода ограничена рабочей частотой — в нашем случае на 30 кГц максимальная толщина провода составляет 0,9 мм. Вместо провода толщиной 1 мм лучше использовать два более тонких провода. После расчета количества катушек и проводов проверьте, соответствует ли расчетное заполнение медного окна 40-50%.

Первичная обмотка трансформатора должна быть размещена в двух частях. Первая часть первички (из 35 витков) мотается как первая, на пустой каркас. Необходимо сохранить направление обмотки к каркасу — вторая часть обмотки должна быть намотана в том же направлении. После намотки первой части необходимо припаять другой конец к переходному, укороченному штифту, который не входит в плату. Затем наложите 4 слоя изоляционной ленты на обмотку и намотайте всю вторичную обмотку — это означает метод намотки. Это улучшает симметрию обмоток. Следующая вторичная обмотка для напряжения +/- 12 В может быть намотана непосредственно на обмотку +/- 35 В в местах, где было сохранено небольшое количество свободного места, а затем полностью изолирована 4 слоями изоляционной ленты. Конечно также необходимо изолировать места, где концы обмоток приводятся к штифтам корпуса. В качестве последней обмотки намотайте вторую часть первичной обмотки, обязательно в том же направлении, что и предыдущий. После намотки можно изолировать последнюю обмотку, но не обязательно.

Когда обмотки готовы, сложите половинки сердечника. Лучшее и проверенное решение — это соединение изолентой с капелькой клея. Несколько раз обматываем сердечник изоляционной лентой.

Управляющий трансформатор сделан как и любой другой импульсный трансформатор. В качестве сердечника можно использовать небольшой EE / EI, полученный от блоков питания ATX. Также можете купить тороидальный сердечник TN-13 или TN-16. Количество обмоток зависит, как обычно, от поперечного сечения сердечника.

В случае тороидальных формула такая:

n = 8 / Qr,

• где n — количество обмоток первичной обмотки,
• Qr — площадь поперечного сечения сердечника, приведенная в см2.

Вторичные обмотки должны быть намотаны с таким же количеством витков, что и первичные, допускаются только незначительные отклонения. Поскольку трансформатор будет управлять только одной парой МОП-транзисторов, толщина провода не важна, его минимальная толщина составляет менее 0,1 мм. В этом случае 0,3 мм. Первая половина первичной обмотки должна быть намотана последовательно — изоляционный слой — первая вторичная обмотка — изоляционный слой — вторая вторичная обмотка — изоляционный слой — вторая половина первичной обмотки. Направление обмотки обмоток очень важно, здесь MOSFET-ы необходимо включать поочередно, а не одновременно. После намотки соединяем сердечник так же, как и в предыдущем трансформаторе.

Трансформатор тока похож на вышеуказанные. Количество катушек здесь произвольно, в принципе, достаточно количества обмоток вторичной обмотки:

n = 4 / Qr,

• где n — количество обмоток вторичной обмотки,
• Qr — площадь поперечного сечения окружности сердечника, приведенная в см2.

Но поскольку токи тут очень малы, лучше всегда использовать большее количество витков. С другой стороны, более важно поддерживать соответствующее соотношение количества витков обеих обмоток. Если решите изменить это соотношение, придется отрегулировать значение резистора R9.

Вот формула для вычисления R9 в зависимости от количества витков:

R9 = (0.9Ω * n2) / n1,

• где n2 — количество обмоток вторичной обмотки,
• n1 — количество обмоток первичной обмотки.

С изменением R9 также необходимо изменить C7 соответственно. Трансформатор тока легче наматывать на тороидальный сердечник, рекомендуем TN-13 или TN-16. Тем не менее, вы можете сделать трансформатор на Ш-сердечника. Если намотаете трансформатор на тороидальный сердечник, сначала намотайте вторичную обмотку большим количеством витков. Затем изоляционную ленту и, наконец, первичную обмотку проволокой толщиной 0.8 мм.

Описание элементов схемы

Почти все элементы можно найти в блоке питания ATX. Диоды D26-D29 с напряжением пробоя 400 В, но лучше взять немного выше, по меньшей мере 600 В. Готовый выпрямитель можно найти в блоке питания ATX. Диодные мосты для питания контроллера также целесообразно применять не менее 600 В. Но они могут быть дешевыми и популярными 1N4007 или похожими.

Стабилитрон, ограничивающий напряжение питания контроллера, должен выдерживать мощность 0,7 Вт, поэтому его номинальная мощность должна составлять 1 Вт или более.

Конденсаторы C18 и C19 могут использоваться с другой емкостью, но не менее 220 мкФ. Емкость более 470 мкФ также не должна использоваться из-за излишне увеличенного тока при включении инвертора в сеть и больших размеров — они могут просто не влезть на плату. Конденсаторы C18 и C19 также находятся в каждом блоке питания ATX.

Силовые транзисторы Q8 и Q9 — очень популярные IRF840, доступные в большинстве электронных магазинов по 30 рублей. В принципе, вы можете использовать другие МОП-транзисторы на 500 В, но это повлечет изменение резисторов R12 и R13. Установленные на 75 Ом обеспечивают время открытия / закрытия затвора около 1 мкс. В качестве альтернативы, их можно заменить либо на 68 — 82 Ома.

Буферы перед входами MOSFET и управляющим трансформатором I, на транзисторах BD135 / 136. Здесь могут использоваться любые другие транзисторы с напряжением пробоя выше 40 В, такие как BC639 / BC640 или 2SC945 / 2SA1015. Последний может быть выдран из блоков питания ATX, мониторов и т. д. Очень важным элементом инвертора является конденсатор C10. Это должен быть полипропиленовый конденсатор, адаптированный к большим импульсным токам. Такой конденсатор находится в блоках питания ATX. К сожалению, иногда он является причиной отказа источника питания, поэтому нужно тщательно его проверить прежде чем паять в схему.

Диоды D22-D25, которые выпрямляют напряжение +/- 35 В, использованы UF5408, подключенные параллельно, но лучшим решением было бы использовать одиночные диоды BY500 / 600, которые имеют более низкое напряжение падения и более высокий номинальный ток. Если возможно, эти диоды должны быть спаяны на длинных проводах — это улучшит их охлаждение.

Дроссели L3 и L4 намотаны на тороидальные порошковые сердечники из источников питания ATX — они характеризуются преобладающим желтым цветом и белой окраской. Достаточны сердечники диаметром 23 мм, 15-20 витков на каждом из них. Однако испытания показали, что они не нужны — инвертор работает и без них, достигает своей мощности, но транзисторы, диоды и конденсатор C10 становятся более горячие из-за импульсных токов. Дроссели L3 и L4 повышают эффективность инвертора и снижают частоту отказов.

Выпрямители D14-D17 +/- 12 В оказывают большое влияние на эффективность этой линии. Если эта линия будет питать предусилитель, дополнительные вентиляторы, дополнительный усилитель для наушников и, например, индикатор уровня, диоды должны использоваться по крайней мере на 1 A. Однако, если линия +/- 12 В будет питать только предусилитель, который тянет до 80 мА, даже можно использовать тут 1N4148. Дроссели L1 и L2 практически не нужны, но их присутствие улучшает фильтрацию помех от электросети. В крайнем случае вместо них можно использовать резисторы на 4,7 Ом.

Ограничители напряжения R22 и R23 могут состоять из серии силовых резисторов, соединенных последовательно или параллельно, чтобы получить один резистор с более высокой мощностью и соответствующее сопротивление.

Запуск и настройка инвертора

После травления плат начните сборку элементов, начиная от самых маленьких до самых больших. Необходимо припаять все компоненты, кроме дросселя L5. После завершения сборки и проверки платы установите потенциометр PR1 в крайнее левое положение и подключите сетевое напряжение к разъему INPUT 220 В. На конденсаторе C1 должно присутствовать напряжение 18 В. Если напряжение останавливается примерно на уровне 14 В, это означает проблему управления трансформатором или силовыми транзисторами, то есть короткое замыкание в цепи управления. Владельцы осциллографа могут проверить напряжение на транзисторных затворах. Если контроллер работает правильно, проверьте правильность переключения MOSFET.

После включения питания 12 В и источника питания контроллера на линии +/- 35 В должно появиться +/- 2 В. Такое дело означает, что транзисторы контролируются должным образом, поочередно. Если лампочка на блоке питания 12 В была включена и на выходе не было напряжения, это означало бы, что оба силовых транзистора открываются одновременно. В этом случае управляющий трансформатор должен быть отсоединен, а провода одной из вторичных обмоток трансформатора должны быть поменяны. Далее припаять трансформатор назад и повторить попытку с источником питания 12 В и лампой.
Если тест пройдет успешно и получим на выходе +/- 2 В, можно отключить источник питания лампы и припаять индуктивность L5. С этого момента инвертор должен работать от сети 220 В через лампу на 60 Вт. После подключения к сети лампочка должна кратковременно мигнуть и немедленно полностью отключиться. На выходе должно появиться +/- 35 и +/- 12 В (или другое напряжение в зависимости от соотношения оборотов трансформатора).

Загрузить их небольшой мощностью (например от электронной нагрузки) для тестирования и лампочка на входе начнет немного светиться. После этого теста нужно переключить инвертор непосредственно на сеть, а на линию +/- 35 В подключить нагрузку с сопротивлением около 20 Ом для проверки мощности. PR1 следует отрегулировать так, чтоб инвертор не отключается после зарядки нагревателя. Когда инвертор начнет нагреваться, вы можете проверить падение напряжения на линии +/- 35 В и рассчитать выходную мощность. Для проверки силовой мощности инвертора достаточно 5-10-минутного теста. За это время все компоненты инвертора смогут нагреться до их номинальной температуры. Стоит измерить температуру радиатора MOSFET, она не должна превышать 60C при температуре окружающей среды 25C. Наконец, необходимо нагрузить инвертор усилителем и установить потенциометр PR1 как можно больше влево, но чтобы инвертор не выключался.

Инвертор может быть адаптирован к любым потребностям по питанию различных УМЗЧ. При проектировании пластины старались, чтобы она была как можно более универсальной, для монтажа различных типов элементов. Расположение трансформатора и конденсаторов позволяет монтировать довольно большой радиатор МОП-транзисторов по всей длине платы. После надлежащего изгиба выводов диодных мостов, их можно установить в металлический корпус. Увеличение теплоотвода позволяет увеличить мощность преобразователя теоретически до 400 Вт. Затем необходимо использовать трансформатор на ETD39. Для этого изменения конденсаторы C18 и C19 требуются на 470 мкФ, C10 на 1.5-2.2 мкФ и использование 8 диодов BY500.

В этом разделе предложены некоторые варианты реализации ПП блоков питания для усилителей. Схему БП с разделением батареи конденсаторов резисторами сопротивлением в пределах 0.15-0.47 Ом было предложено Л.Зуевым:

Разводка платы БП УНЧ Владимиром Лепехиным в формате lay

Для УНЧ Натали были разведены платы под электролитические конденсаторы диаметр посадки d=30, 35 и 40 мм с выводами snap-in

Схема со стабилизированным питанием для УН-а и операционного усилителя на м/с M5230L

Для проекта усилитель ASR на MOSFET с токовой ОООС от Maxim_A (Андрей Константинович), В.Лепехин развел платы под маломощный БП для УН-а усилителя и мощный БП для выходного каскада.

плата БП маломощный top

плата БП маломощный bottom

плата БП УНЧ top

плата БП УНЧ bottom

Для в реализации двойное моно будут использованы БП на таких ПП:

БП УНЧ V2012ЭА

Этот БП используется для питания ВК (выходного каскада). На плате можно устанавливать электролиты с креплением Snap-in диаметром до 30 мм, предусмотрена посадка под диоды в корпусах ТО220-3 и ТО220-2, что расширяет номенклатуру применяемых диодов. Габариты ПП 66 х 88 мм.

Для питания УН-а при раздельном питании, будет использована такая плата БП:

БП УНЧ V2012ЭА

Габариты ПП 66 х 52 мм. Посадка диодов универсальная можно поставить выводные и в корпусе ТО220-2, посадка электролитов диаметром до 25 мм.

Схема относительно просто и представляет собой двухполярный стабилизированный блок питания. Плечи блока питания зеркальны, поэтому схемы абсолютно симметрична.

Технические характеристики блока питания:
Номинальное входное напряжение: ~18...22В
Максимальное входное напряжение: ~28В (ограничено напряжение конденсаторов)
Максимальное входное напряжение (теоретически): ~70В (ограничено максимальным напряжением выходных транзисторов)
Диапазон выходных напряжений (при ~20В на входе): 12...16В
Номинальный выходной ток (при выходном напряжении 15В): 200мА
Максимальный выходной ток (при выходном напряжении 15В): 300мА
Пульсации напряжения питания (при номинальном выходном токе и напряжении 15В): 1,8мВ
Пульсации напряжения питания (при максимальном выходном токе и напряжении 15В): 3,3мВ

Данный блок питания можно использовать для питания предварительных усилителей. БП обеспечивает довольно низкий уровень пульсаций напряжения питания, при довольно большом (для предварительных усилителей) токе.

В качестве аналогов транзисторов MPSA42/92 можно применить транзисторы KSP42/92 или 2N5551/5401. Не забывайте сверять цоколевку.
Транзисторы BD139/BD140 можно заменить на BD135/136 или на другие транзисторы с аналогичными параметрами, опять же про цоколевку не забываем.

Транзисторы VT1 и VT6 должны быть установлены на теплоотводе, место для которого предусмотрено на печатной плате.

В качестве стабилитронов VD2 и VD3 можно применять любые стабилитроны на напряжение 12В.

Очень часто бывает что у радиолюбителя есть трансформатор, но только с одной обмоткой, а необходимо получить на выходе двухполярное напряжение. Именно для этих целей можно применить следующую схему:

Схема отличается своей простотой и универсальностью. На вход схемы можно подавать переменное напряжение в широком диапазоне, ограниченном только лишь допустимым напряжением диодов моста, допустимым напряжением конденсаторов питания и напряжением КЭ транзисторов. Выходное напряжение каждого из плеч будет равно половине общего напряжения питания или (Uвх*1,41)/2, например: при входном переменном напряжении 20В, выходное напряжение одного плеча будет равно (20*1,41)/2=14В.

В качестве транзисторов VT1 и VT2 можно применять ЛЮБЫЕ комплементарные транзисторы, следует только не забывать о цоколевке. Хорошими вариантами замены могут быть MPSA42/92, KSP42/92, BC546/556, КТ3102/3107 и так далее. Следует так же учитывать при замене транзисторов на аналоги их максимальное допустимое напряжение КЭ, оно должно быть не менее выходного напряжения плеча.

В своей практике для питания УМЗЧ я люблю применять для питания УМЗЧ трансформаторы с 4мя одинаковыми вторичными обмотками, в частности трансформатор ТА196, ТА163 и аналогичные. При использовании таких трансформаторов удобно использовать в качестве выпрямителя не мостовую, а двухполупериодовую полу-мостовую схему. Схема самого блока питания представлена ниже:

Для данной схемы можно применять не только трансформаторы серии ТА, ТАН, ТПП, ТН, но и любые другие трансформаторы с 4мя одинаковыми по напряжению обмотками.

На основе трансформатор ТА196 или других трансформаторов с 4мя вторичными обмотками можно организовать следующую схему:

Напряжение +/-40В (или другое, в зависимости от напряжения на обмотках вашего трансформатора) используется для питания усилителя мощности. Шины +/-15В можно использовать для питания предусилителя и входного буфера. Шину +12В можно использовать для вспомогательных нужд, например: для питания вентилятора, защиты или других не требовательных к качеству питания устройств.

В качестве стабилитрона 1N4742 можно применять любой другой на напряжение 12В, вместо 1N4728 - на напряжение 3,3В.

Вместо транзисторов BD139/140 можно использовать любую другую комплементарную пару транзисторов средней мощности на ток 1-2А. Транзисторы VT1, VT2 и VT3 необходимо устанавливать на радиатор.

Нумерация выводов соответствует нумерации выводов трансформатора ТА196 и аналогичных.

Фотографии некоторых из представленных блоков питания.

Ко всем блокам питания прилагаются проверенные 100% рабочие печатные платы.

Список радиоэлементов

Одной из самых популярных радиолюбительских конструкций являются усилители мощности звуковой частоты УМЗЧ . Для качественного прослушивания музыкальных программ в домашних условиях чаще всего используются достаточно мощные, 25…50Вт/канал, как правило, стереофонические усилители.

Столь большая мощность нужна вовсе не для того, чтобы получить очень большую громкость: усилитель, работающий вполовину мощности, позволяет получить более чистое звучание, искажения в таком режиме, а они есть даже у самого лучшего УМЗЧ, практически незаметны.

Хороший мощный УМЗЧ собрать и наладить достаточно сложно, но это утверждение справедливо, если усилитель собирается из дискретных деталей, - транзисторов, резисторов, конденсаторов, диодов, может быть, даже . Такая конструкция под силу достаточно квалифицированному радиолюбителю, который уже собрал не один и не два усилителя, спалив на первых опытах не один килограмм мощных выходных транзисторов.

Современная схемотехника позволяет избежать таких материальных, а главное, моральных затрат. Чтобы собрать достаточно мощный и качественный УМЗЧ, можно купить одну-две микросхемы, добавить к ним несколько пассивных деталей, спаять все это на небольшой печатной плате, и, пожалуйста, перед Вами УМЗЧ, который заработает сразу же после включения.

Качество воспроизведения будет весьма неплохим. «Лампового» звука получить, конечно, не удастся, но многие фирменные, а, тем более, китайские усилители, останутся позади. Ярким примером такого решения проблемы высококачественного звучания можно считать микросхему TDA7294.

Двухполярное напряжение питания микросхемы имеет очень большой диапазон ±10…±40В, что позволяет получить от микросхемы мощность свыше 50Вт на нагрузке 4Ω. Если такая мощность не требуется, достаточно просто несколько понизить питающее напряжение. Выходной каскад усилителя выполнен на полевых транзисторах, что обеспечивает хорошее качество звука.

Вывести микросхему из строя очень непросто. Выходной каскад имеет защиту от КЗ, кроме того имеется также тепловая защита. Микросхема, как усилитель, работает в классе AB, коэффициент полезного действия которого 66%. Поэтому, для того, чтобы получить выходную мощность 50Вт, потребуется источник питания мощностью 50/0,66=75,757Вт.

Собранный усилитель устанавливается на радиатор. Для уменьшения габаритов радиатора совсем неплохо, чтобы тепло от радиатора отводилось вентилятором. Для этих целей вполне подойдет небольшой компьютерный кулер, например, от видеокарт. Конструкция усилителя показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Усилитель на микросхеме TDA7294

Здесь следует отметить небольшую особенность микросхемы TDA7294. У всех подобных мощных микросхем задняя металлическая спинка с отверстием для крепления к радиатору соединена с общим проводом схемы. Это позволяет закреплять микросхему на металлическом корпусе усилителя без изолирующей прокладки.

У микросхемы TDA7294 эта крепежная деталь электрически соединена с выводом отрицательного полюса источника питания, вывод 15. Поэтому, изолирующая прокладка с теплопроводной пастой КПТ-8, просто необходима. Еще лучше, если микросхема устанавливается на радиатор вообще без прокладки, только с теплопроводной пастой, а сам радиатор изолируется от корпуса (общего провода) усилителя.

Рисунок 2. Типовая схема включения TDA7294

Об усилителях на микросхеме TDA7294 можно рассказывать очень много, и те несколько строчек, что были написаны выше, вовсе не претендуют на полноту информации. Данный усилитель упоминается лишь для того, чтобы показать, какой мощности может понадобиться трансформатор, как определить его параметры, ведь статья-то называется «Трансформаторы для УМЗЧ».

Часто бывает, что создание конструкции начинается с создания макетных экземпляров, питание которых производится от лабораторного блока питания. Если схема оказалась удачной, то начинаются выполняться все остальные «плотницкие» работы: изготавливается корпус или используется подходящий от подобного промышленного устройства. На этой же стадии изготавливается блок питания и выбирается подходящий трансформатор.

Так какой нужен трансформатор?

Чуть выше было рассчитано, что мощность источника питания должна быть не менее 75 ватт, и это лишь для одного канала. Но где сейчас можно встретить монофонический усилитель? Теперь это, как минимум, двухканальный аппарат. Поэтому для стереофонического варианта потребуется трансформатор мощностью не менее ста пятидесяти ватт. На самом деле это не совсем так.

Такая большая мощность может потребоваться лишь в том случае, если будет усиливаться синусоидальный сигнал: вот просто подали на вход синусоиду и сидим, слушаем. Но долго слушать однообразное заунывное гудение, вряд ли доставит удовольствие. Поэтому нормальные люди чаще слушают музыку или смотрят фильмы со звуком. Вот тут и сказывается отличие музыкального сигнала от чистой синусоиды.

Реальный музыкальный сигнал синусоидой не является, а представляет собой сочетание больших кратковременных пиков и долговременных сигналов небольшой мощности, поэтому средняя мощность, потребляемая от источника питания, получается намного меньше.

Рисунок 3. Реальная мощность звукового сигнала. Средние уровни (желтая линия) синусоидального и реального звукового сигналов при одинаковых максимальных уровнях

Методика расчета блока питания приводится в статье «Расчет блока питания для усилителя мощности», которую можно найти по ссылке,

http://www.interlavka.narod.ru/stats03/blok_pitaniy.htm Автор статьи Андрей Данилов.

В статье приводятся соображения по выбору параметров блока питания, там же можно скачать программу для расчета блока питания с учетом особенностей воспроизводимых музыкальных программ. Программа работает без установки в системе, достаточно просто распаковать архив. Результаты работы программы сохраняются в текстовом файле, который появляется в папке, где находится программа расчета. Скриншоты работы программы показаны на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4. Ввод данных в программу расчета

Расчеты выполнены для блока питания собранного по схеме, показанной на рисунке 5.

Рисунок 5. Блок питания УМЗЧ. Результаты расчета

Таким образом, для двухканального усилителя мощностью 50Вт с нагрузкой 4Ω потребуется трансформатор мощностью 55Вт. Вторичная обмотка со средней точкой с напряжениями 2*26,5В с током нагрузки 1А. Вот из таких соображений следует выбирать трансформатор для УМЗЧ.

Казалось бы, что трансформатор получился слабоват. Но, если внимательно почитать упомянутую чуть выше статью, то все становится на свои места: автор достаточно убедительно рассказывает, из каких критериев следует исходить при расчете блока питания УМЗЧ.

Тут можно сразу задать встречный вопрос: «А если мощность имеющегося под рукой трансформатора окажется больше, чем по расчету?». Да ничего страшного не произойдет, просто трансформатор будет работать вполсилы, не будет особо напрягаться и сильно греться. Естественно, что выходные напряжения трансформатора должны быть те же, что получились по расчету.

Габаритная мощность трансформатора

Совсем нетрудно заметить, что чем мощнее трансформатор, тем больше его размер и вес. И это нисколько не удивительно, ведь есть такое понятие, как габаритная мощность трансформатора. Другими словами, чем больше и тяжелее трансформатор, тем больше его мощность, тем больше мощность подключаемой к вторичной обмотке нагрузки.

Расчет габаритной мощности по формуле

Чтобы определить габаритную мощность трансформатора достаточно простой линейкой измерить геометрические размеры сердечника, а затем, с приемлемой точностью, рассчитать все по упрощенной формуле.

где P - габаритная мощность, Sc=a*b - площадь сердечника, So=c*h - площадь окна. Возможные типы сердечников показаны на рисунке 5. Сердечники, собранные по схеме ШЛ, называются броневыми, в то время, как сердечники ПЛ стержневыми.

Рисунок 6. Типы сердечников трансформаторов

В учебниках электротехники формула для расчета габаритной мощности имеет вид устрашающий, и куда более длинный. В упрощенной формуле приняты следующие условия, присущие большинству сетевых трансформаторов, просто некоторые усредненные значения.

Считается, что КПД трансформатора 0,9, частота сетевого напряжения 50Гц, плотность тока в обмотках 3,5А/мм2, магнитная индукция 1,2Тл. При этом коэффициент заполнения медью 0,4, а коэффициент заполнения сталью 0,9. Все эти величины как раз и входят в «настоящую» формулу для расчета габаритной мощности. Как и всякая другая упрощенная формула, эта формула может дать результат с ошибкой процентов в пятьдесят, такова расплата за упрощение расчета.

Здесь достаточно вспомнить хотя бы про КПД трансформатора: чем больше габаритная мощность, тем выше КПД. Так трансформаторы мощностью 10…20Вт имеют КПД 0,8, а трансформаторы 100…300Вт и выше имеют КПД 0,92…0,95. В таких же пределах могут изменяться и другие величины, входящие в «настоящую» формулу.

Формула, конечно, достаточно простая, но в справочниках существуют таблицы, где «все уже подсчитано до нас». Так не надо усложнять себе жизнь, и воспользоваться уже готовым продуктом.

Рисунок 7. Таблица для определения габаритной мощности трансформатора. Значения рассчитаны для частоты 50Гц

Третья цифра в маркировке сердечников ПЛ обозначает параметр h - высота окна, как показано на рисунке 6.

Кроме габаритной мощности, в таблице также имеется такой важный параметр, как число витков на вольт. Причем, наблюдается такая закономерность: чем больше размер сердечника, тем меньше число витков на вольт. Для первичной обмотки это число указано в предпоследней колонке таблицы. В последней колонке указано число витков на вольт для вторичных обмоток, которое несколько больше, чем в первичной обмотке.

Это различие связано с тем, что вторичная обмотка расположена дальше от сердечника (керна) трансформатора и находится в ослабленном магнитном поле, нежели первичная обмотка. Чтобы компенсировать это ослабление приходится несколько увеличивать количество витков вторичных обмоток. Здесь вступает в силу некоторый эмпирический коэффициент: если при токе во вторичной обмотке 0,2…0,5А число витков умножается на коэффициент 1,02, то для токов 2…4А коэффициент увеличивается до 1,06.

Как определить число витков на вольт

Многие формулы в электротехнике являются эмпирическими, полученными методом многочисленных опытов, а также проб и ошибок. Одной из таких формул является формула для расчета числа витков на вольт в первичной обмотке трансформатора. Формула достаточно проста:

тут, вроде, все понятно и просто: ω - это искомое число витков/вольт, S - площадь сердечника в сантиметрах квадратных, а вот 44, - это, как утверждают некоторые авторы, постоянный коэффициент.

Чтобы ответить на этот вопрос следует несколько преобразовать формулу, вместо «постоянного коэффициента» подставить букву, ну, хотя бы K.

Тогда вместо постоянного коэффициента получается переменная величина, или, как говорят программисты, переменная. Эта переменная может принимать различные значения, естественно, в каких-то пределах. Величина этой переменной зависит от конструкции сердечника и марки трансформаторной стали. Обычно переменная K находится в диапазоне 35…60. Меньшие значения этого коэффициента приводят к более жесткому режиму работы трансформатора, но облегчают намотку, за счет меньшего количества витков.

Если трансформатор предназначается для работы в высококачественной аудио аппаратуре, то K выбирают по возможности выше, как правило, 60. Это поможет избавиться от наводок с частотой сети идущих от силового трансформатора.

Теперь можно обратиться к таблице, показанной на рисунке 7. Там есть сердечник ШЛ32X64 с площадью 18,4 см2. В предпоследней колонке таблицы указано число витков на вольт для первичной обмотки. Для железа ШЛ32X64 это 1,8 витков/В. Чтобы узнать, какой величиной K руководствовались разработчики при расчете этого трансформатора, достаточно произвести несложный подсчет:

K=ω*S = 1,8*18,4 = 33,12

такой маленький коэффициент позволяет утверждать, что качество трансформаторного железа хорошее или просто стремились к экономии меди.

Да, таблица это хорошо. Если есть желание, время, сердечник и обмоточный провод, остается только засучить рукава и намотать требуемый трансформатор. Еще лучше, если есть возможность купить подходящий трансформатор или достать его из собственных «стратегических» запасов.

Трансформаторы промышленного изготовления

Когда-то советская промышленность выпускала целую серию малогабаритных трансформаторов: ТА, ТАН, ТН и ТПП. Эти аббревиатуры расшифровываются как, трансформатор анодный, анодно-накальный, накальный и трансформатор для питания полупроводниковой аппаратуры. Вот именно трансформатор марки ТПП может оказаться наиболее подходящим для рассматриваемого выше усилителя. Трансформаторы этой модели выпускаются мощностью 1,65…200Вт.

При расчетной мощности 55Вт вполне подойдет трансформатор ТПП-281-127/220-50 мощностью 72Вт. Из обозначения можно понять, что это трансформатор для питания полупроводниковой аппаратуры, порядковый номер разработки 281, напряжение первичной обмотки 127/220В, частота питающей сети 50Гц. Последний параметр достаточно важный, если учесть, что трансформаторы ТПП выпускаются также на частоту 400Гц.

Рисунок 8. Параметры трансформатора ТПП-281-127/220-50

Ток первичной обмотки указан для напряжений 127/220В. В таблице ниже указаны напряжения и токи вторичных обмоток, а также выводы трансформатора, на которые эти обмотки распаяны. Схема всего многообразия трансформаторов ТПП одна: все те же обмотки, все те же номера выводов. Вот только напряжения и токи обмоток для всех моделей трансформаторов разные, что позволяет подобрать трансформатор для любого случая.

На следующем рисунке показана электрическая схема трансформатора.

Рисунок 9. Электрическая схема трансформаторов ТПП

Для блока питания двухканального усилителя мощностью 50Вт, пример расчета которого был приведен чуть выше, потребуется трансформатор мощностью 55Вт. Вторичная обмотка со средней точкой с напряжениями 2*26,5В с током нагрузки 1А. Совершенно очевидно, что для получения таких напряжений, потребуется соединить синфазно обмотки 10 и 20В, и в противофазе обмотку 2,62В

10+20-2,62=27,38В,

что почти соответствует расчету. Таких обмоток получается две, которые соединяются последовательно в одну со средней точкой. Соединение обмоток показано на рисунке 10.

Рисунок 10. Соединение обмоток трансформатора ТПП-281-127/220-50

Первичные обмотки соединены в соответствии с технической документацией, хотя можно воспользоваться и другими отводами, что позволит точнее подобрать выходные напряжения.

Как соединить вторичные обмотки

Обмотки 11-12 и 17-18 соединены синфазно - конец предыдущей обмотки, с началом следующей (начало обмоток обозначается точкой). В результате получается одна обмотка с напряжением 30В, а по условиям задачи требуется 26,5. Чтобы приблизиться к этому значению, к обмоткам 11-12 и 17-18 в противофазе подключена обмотка 19-20. Это соединение показано синей линией, получается одна половина обмотки со средней точкой. Красной линией показано соединение другой половины обмотки, показанной на рисунке 5. Соединение точек 19 и 21 образует среднюю точку обмотки.

Последовательное и параллельное соединение обмоток

При последовательном соединении лучше всего, если допустимые токи обмоток равны, таким же будет и выходной ток для двух и более обмоток. Если ток одной из обмоток меньше, именно он будет выходным током полученной обмотки. Такое рассуждение хорошо, когда имеется принципиальная схема трансформатора: просто паяй перемычки и меряй что получилось. А если схемы нет? Об этом будет рассказано в следующей статье.

Допускается также параллельное соединение обмоток. Здесь требование такое: напряжение обмоток должно быть одинаковым, а соединение синфазным. В случае трансформатора ТПП-281-127/220-50 возможно соединить две 10-ти вольтовые обмотки (выводы 11-12, 13-14), две 20-ти вольтовые обмотки (выводы 15-16, 17-18), две обмотки по 2,62В (выводы 19-20, 21-22). Получится три обмотки с токами 2,2А. Соединение первичной обмотки выполнено в соответствии со справочными данными трансформатора.

Вот так хорошо все получается, если данные трансформатора известны. Одним из немаловажных параметров трансформатора является его цена, которая в немалой степени зависит от фантазии и наглости продавца.

Рассмотренный в качестве примера трансформатор ТПП-281-127/220-50 у разных продавцов интернете предлагается по цене 800…1440 рублей! Согласитесь, что это будет дороже самого усилителя. Выходом из такого положения может стать использование подходящего трансформатора добытого из старой бытовой аппаратуры, например, от ламповых телевизоров или старых ЭВМ.

Импульсный блок питания для УНЧ сконструирован для обеспечения напряжением питания двух канальный УМЗЧ. БП рассчитан на работу усилителя с выходной мощностью 200 Вт на каждый канал. Данное устройство состоит из двух печатных плат. На одной плате реализован фильтр сетевого напряжения, электромагнитное реле, трансформатор, диодный мост с фильтрующим конденсатором 1000 мкФ х 25v в его цепи. На другой плате собран модуль управления, трансформатор выпрямителя, а также в цепи фильтра конденсаторы и дроссели.

Биполярные транзисторы КТ626, а также мощные 2SK1120 MOSFET либо КП707В2 должны быть установлены на радиаторах с достаточной площадью рассеивания тепла. Наиболее эффективными радиаторами охлаждения являются теплоотводы из толстого алюминия, прошедшие фрезерную обработку. Их эффективность заключается в том, что помимо охлаждения электронных компонентов, они еще являются боковыми элементами корпуса усилителя. Модуль управления мощными выходными ключами смонтирован на небольшой самостоятельной плате, которая в свою очередь вмонтирована в модуль выпрямителя.

Модернизация ИБП

Чтобы обеспечить более корректную и надежную работу конструкции, импульсный блок питания для УНЧ был несколько модернизирован. В частности во вторичных обмотках трансформатора были установлены шунты в виде подавляющей помехи RC-цепи. Также была увеличена емкость фильтрующих конденсаторов до 10000 мкФ х 50v и зашунтированны конденсаторами 3,3 мкф 63v. Которые имеют очень малые потери и высокое сопротивление изоляции. Защита на входе не была задействована, но в случае необходимости ее можно применить в качестве защиты от пикового тока. Для этого нужно подать сигнал на вход из цепи шунта либо от трансформатора по току.

Предупреждение

Особое внимание! Все силовые тракты данного блока питания, за исключением вторичных цепей, находятся по высоким потенциалом сетевого напряжения, представляющего опасность для жизни! В процессе налаживания конструкции необходимо соблюдать максимально возможную осторожность. Желательно при настроечных работах, устройство подключить к сети через разделительный трансформатор.

Перед тем как впервые запустить импульсный блок питания, предохранитель на 2А в цепи напряжения 320v устанавливать пока не нужно. Вначале нужно произвести отладку схемы управления, а уже потом на место предохранителя 2А устанавливается лампа накаливания 220v мощностью 60 Вт. Но наиболее эффективный способ, при котором гарантируется целостность транзисторов — это включить устройство через понижающий напряжение трансформатор. Только когда полностью будет выполнены наладочные работы, тогда предохранитель ставится на место. Теперь импульсный блок питания можно испытать с нагрузкой.

На снимке: модуль инвертора, выпрямителя и цепи фильтров

На снимке: модуль фильтра сетевого напряжения и выпрямителя

На снимке: компоновка силовых ключей и диодов

Трансформатор

Трансформатор Т1 намотан на трех кольцах диаметром 45 мм из феррита 2000НМ1. Первичная обмотка содержит 2×46 витков изолированного провода 0,75 мм2 (мотается сразу двумя проводами). Вторичная обмотка намотана косой из 16 проводов диаметром 0,8 мм. Она содержит шесть витков, после намотки она делится на две группы, начала одной группы соединяются с конном другой. Дроссели DB3 и DR2 намотаны на ферритовом стержне 8 мм и выполнены проводом D=1,2 мм.